Файл: Рохлин, Л. Л. Акустические свойства легких сплавов.pdf

С увеличением частоты ультразвука и соответственно с умень­ шением длины волны возрастает направленность излучения, и эф­ фекты, связанные с дифракцией и интерференцией, уменьшаются.

Наиболее подробно дифракционные эффекты ультразвукового излучения и их влияние на точность измерения коэффициента за­ тухания ультразвука изучены для случая, когда ультразвук по­ сылается дисковым излучателем поршневого типа в полубесконечную среду. Одной из первых в этом плане была работа Хантинг­ тона, Эмсли и Хафса [76].

В работе Симмонса и Урика [77] было теоретически рассмотрено избыточное давление, создаваемое ультразвуком в полубесконечной среде вблизи поршневого излучате­

Как можно видеть на рис. 4, с увеличением расстояния от источ­ ника излучения избыточное давление на приемном пьезопреобразо­ вателе имеет тенденцию к уменьшению. При этом в области до 3 а2/Х наблюдаются минимумы и максимумы избыточного давления. По­ ложения этих максимумов соответствуют: 1-го— 0,73 аЧХ, 2-го — 1,05 и 3-го— 2,4 а2/Х. С увеличением размеров излучателя и с уменьшением длины волны максимумы должны наблюдаться на больших расстояниях от источника излучения. Если пренебречь максимумами и минимумами, то в среднем потери за счет дифракции, согласно [79], составляют 1 дб на длине а2IX. В соответствии с этим с увеличением частоты величина дифракционных потерь должна уменьшаться. Результаты работы [79] согласуются с расчетом, вы­ полненным Бассом [80]. Теория Секи, Гранато, Труелла [79] и Басса [80] была подтверждена экспериментально [79, 81].

М. Б. Гитис и А. С. Химунин [82, 83] провели расчет для полу­ бесконечной среды и круглого поршневого излучателя для различ­ ных по размерам излучателя и приемника.

12

В работах Пападакиса [84, 85] рассмотрена дифракция ультра­ звука в полубесконечной упругоанизотропной среде.

Во многих случаях поперечные размеры звукопровода сравнимы с размерами излучающего пьезопреобразователя, и его нельзя рас­ сматривать как полубесконечиую среду. Влияние стенок звуко­ провода на распространение затухания ультразвука отмечалось уже в [76], однако наиболее полно этот вопрос рассмотрен в работах Редвуда [87, 88] и Кэрома и Уайттинга [89].

Распространение ультразвука в волноводе, согласно теории Редвуда [87], связано с дисперсией волн, и эффекты ослабления и усиления интенсивности при увеличении расстояния от источника объясняются интерференцией различных мод в тех или иных точ­ ках волновода. Расчеты показали наличие максимумов и минимумов интенсивности ультразвука, аналогичных тем, которые наблюдают­ ся в случае полубесконечной среды. Общая тенденция определяется первой и второй модой; остальные моды дают маленькие макси­ мумы и минимумы.

Редвудом [87], а также Кэромом, Уайттингом и Флери [81] бы­ ли проведены эксперименты, которые в общем подтвердили теоре­ тические расчеты [87].

Кэром и Уайттинг [89] развили теорию Редвуда [87, 88]. Для твердого цилиндрического волновода со свободными границами напряжение, возникающее на приемном преобразователе, согласно

[89],

Это выражение выведено для круглого волновода и круглых пьезопреобразователей. Е — напряжение на приемном пьезопре­ образователе; / — функция Бесселя; хт — корни уравнения /0 (х) =

a z — расстояние между излучающим и приемным преобразователя­ ми. Выражение (1,5) также предполагает распространение в звукопроводе различных мод, т. е. дисперсию. Ввиду того, что различныемоды приходят в различной фазе, образуются максимумы и мини­ мумы электрического потенциала, возникающего на приемном пре­ образователе при перемещении его от источника излучения. В со­ ответствии с этим должны изменяться по кривой с минимумами и максимумами видимые потери ультразвуковой энергии.

Как показал расчет, выполненный по (1,5), максимумы и ми­ нимумы потерь ультразвуковой энергии в волноводе вследствие дисперсии увеличиваются по величине с увеличением отношения радиуса волновода к радиусу преобразователя Ыа. Для Ыа = 1 ,5 (рис. 5, а) различие между самыми большими максимумами и мини­ мумами составляет ~ 1,75 <56, а для Ыа — 3 (рис. 5, 6) это различие составляет ~ 1 5 дб.

13

Можно видеть сильную изрезанность кривых — результат вкла­ да в затухание мод с малой амплитудой. Моды с большой ампли­ тудой определяют общую тенденцию в ходе кривых.

При поперечных размерах твердого звукопровода, близких к из­ лучающему и приемному пьезопреобразователям, боковые поверх­ ности препятствуют расхождению ультразвукового луча, вследствие чего потери ультразвуковой энергии в результате дифракции дол­ жны быть ниже, чем в полубесконечной среде.

При поперечных размерах образцов, близких к размерам пьезо­ преобразователей, на частоте 10 Мгц и более высоких частотах зату­ хание ультразвука, обусловленное дифракционными эффектами,

Рис. 5. Зависимость от расстояния потерь В ультразвуковой энергии в волноводе со свободными стенками

X — длина волны [89]

обычно не сказывается существенным образом на результатах ис­ пытаний. Данный вывод основывается на том, что наблюдаемая на экране осциллографа серия импульсов, соответствующая отраже­ ниям на торцах образца, характеризуется плавной огибающей, имеющей вид экспоненты. Максимумы и минимумы, связанные с дифракцией, при этом фактически не наблюдаются. При более низ­ ких частотах дифракция становится более заметной и ее следует учи­ тывать. Уменьшением дифракции можно объяснить наблюдаемое экспериментально снижение затухания ультразвука в образцах при увеличении частоты до — 10 Мгц, которое показано на рис. 6.

Отложенная на представленном графике по оси ординат вели­ чина а ' соответствует измеряемому с помощью аттенюатора ослаб­ лению импульсов в образце, отнесенному к прохождению импуль­ сом ультразвука длины образца два раза: в обратном и прямом нап­ равлении, и включает в себя потери при отражении на торцах. Ранее величина а ' обозначалась через А (1,4). Повышение затуха­

14